文摘
本文提出一种低频光纤加速度计应用在土木工程结构的高温环境。本研究开发的基于反射的非本征光纤加速度计由一个递送的光栅板,反光镜,两个光纤准直仪的收发器函数可以保持到130°C。动态特性研究了传感器探头的传感器探头的固有频率之间的关系,并描述了温度变化和讨论。此外,高温模拟设备设计的验证测试设置开发高温加速计。本研究仅限于考虑130°C的应用温度提出了光纤加速度计由于商业光纤准直器的操作温度的限制。发达的正弦低频加速度测量光纤加速度计在130°C显示良好的协议与MEMS加速度计测量在室温下。发达光纤加速度计可用于频率范围低于5.1赫兹到130°C的误差小于10%,高灵敏度为0.18 (m / s2)/ rad。
1。介绍
在过去的三十年中,许多类型的光纤加速度计(失落)已经开发出来,因为光纤(OFs)允许结构健康监测在高电磁环境(1]。此外,与熔融石英光纤是有用的在宽温度范围高达1000°C (2]虽然取决于光纤熔融石英和蓝宝石(Al等材料2O3、单晶氧化铝)[3,4]。
虽然大多数灰度光纤传感器系统是相对较低的成本,光纤布喇格光栅(FBG)传感器系统,而高成本波长位移讯问设备高速采样频率。另外,强度调制技术进行grating-based非本征型光纤传感器(FOSs) [5- - - - - -7因为grating-based传感器(8,9)具有显著的优势10:简单的机械结构和良好的可靠性。
因此,研究grating-based光纤传感器进行了基于快门作用[9,11)或波纹现象技术(7),需要四个光纤线路和两个光栅板。然而,这些传输类型自由/开源软件(6,7,9,11),包括波纹,失落fringe-based根据透射光光纤之间的分离,要求光纤的位置(OFs)两岸的原型6- - - - - -9,11]。因此,这将导致很大的局限性在角落安装由于几何条件。失落时使用多点传感器用于监测大型结构在危险位置,复杂的布线的问题进一步加剧。
如今,为了解决这些问题,基于映像的技术使用光栅板开发(12,13]。这解决了困难在角落安装和复杂的布线问题多点传感由于50%简化布线采用平行光纤收发器,它允许纤维被放在一侧的传感器。然而,这种失落报道只承受温度高达65°C由于使用环氧组装。因此,大多数报道失落一直局限于处理温度60°C虽然多种土木工程结构暴露于高温环境。例如,对于环境振动监测管道在核电站结构热水冷却流经后,耐高温和温度无关的材料必须用于传感器制造。除了各种各样的光纤温度传感器,它就能超过1000°C (3,4),和压力传感器14)对于高温环境,几乎没有可用低频失落在土木工程结构在高温环境中。这是因为传感器结构总成通常涉及许多材料包括硅、玻璃软化点较低,聚合物,和环氧树脂作为粘合剂。因此,这些材料之间的热膨胀失配会导致稳定性降低传感器的精度、分辨率和重复性(15]。
因此,作为基本的研究中,本文提出了一种失落,使用一个基于映像的技术使用光栅板应用在土木工程结构高温环境等水暖管道、热水流过,核电站结构。有针对性的工作温度为130°C由于运营商用光纤准直器的温度限制。能承受130°C的光纤加速度计是捏造的使用主要是以下材料:不胀钢,陶瓷胶,130°C耐用平行光纤高温尺寸稳定性的环境。此外,高温可调箱开发和安装加速度计性能测试的振动器。传感器动态特性的调查研究之后,一个原型是捏造的。之间的关系的固有频率传感器探头和温度变化是实证分析。然后失落130°C耐用的性能测试是通过比较实现商业低频加速度计。
2。工作原理
在这项研究中,加速度的基础量化原则,在加速度的变化成正比的变化相对位移的地震,被认为是。此外,可以计算使用加速度测量的相对位移的地震质量 在哪里,阻尼比,综合质量弹簧系统的固有频率,然后呢在地震加速度的质量。
为了相对位移转换为加速度传感器的固有频率和阻尼比探针需要确认。传感器头作为一个单自由度结构由一个递送的光栅板(TGP),一个反光镜,相隔一定距离的两个收发器OFs光栅的四分之一有两个接收信号之间的相位差90°(12,13),如图1,为了获得质量的相对位移的地震。的变量质量是指地震位移和变量指的是传感器位移。如果获得的周期正弦波信号在正交,相对位移,定义为的差异和可以推断,打开两个规范化收到信号,可以使用正弦和余弦函数,表示如下(16]:
三峡工程由多个不透明光栅间距均匀间隔的透明的。不透明光栅的宽度()和透明的间距()小于光束宽度。光栅距添加剂的总和吗和。OFs反光镜,放在后面的记者和完全一致的最终表面OFs,固定传感器的情况下以产生稳定的反射率。
当兴奋加速度被认为是定义为在哪里激动的频率,稳态响应应该相对位移的质量定义为。是指通过参考加速度计和加速度测量质量是指地震测量位移的失落。因此,通过变形响应因子,理论上可以获得加速度,表示使用激动的加速度和相对位移之间的关系,定义由以下方程: 在哪里,阻尼比,综合质量弹簧系统的固有频率。等量化参数的相对位移和加速度是使用此机制来实现的。
3所示。制造原型的高温环境
为了发展130°C的恒久,失落的基本材料尺寸稳定性的原型,传感器组件的装配的粘合剂,并维持其功能的光纤准直器作为一个准直器在130°C被认为是。
3.1。制造的传感器探头
为了实现传感器原理在高温下,镜子反射面之间的平行对齐和结束平行光纤表面应该保持在操作过程中有针对性的高温。符合这个要求,传感器的尺寸稳定性和一致的功能组件如准直器和三峡工程是重要的考虑因素。基本上,传感器探针设计和制造的基础上,研究了稳定传感器探头没有地震的微乎其微的旋转和横向运动质量(17]。地震运动,一片叶子板模式受雇为春天。磷青铜的钢板弹簧是由60的厚度μm。这些被放置在两个顶部和底部的传感器探头与水平对称,如图2。圆形夹紧工具被用来修复地震上的钢板弹簧质量。首先,夹紧工具,导致叶片弹簧的变形的可能性升高温度,由不胀钢材料由于其较低的热膨胀系数(CTE, 1.2×10−6/ K)。此外,为了防止失真的记者由于CTE三峡工程的区别,其基材是石英、地震和地震质量使用不胀钢的材料,因为三峡工程质量必须附加到地震。传感器探头,在加速度计中起着举足轻重的作用,是由装配两个捏造叶弹簧和夹紧工具。此外,镜子的支持者,支持者,传感器情况下也使用不胀钢的材料,因为制作的光纤准直仪和镜像必须支持和固定。因此,为了保持对齐在高温度、尺寸稳定性必须保证。因此,所有传感器组件是用一个殷钢基地。传感器探头的大小20(弹簧的外径)×21(高度)毫米2。三峡工程(厚度:700μ米),11.0×4.2毫米大小2,采用装配式地震中心的质量。此外,陶瓷胶(940勒,Cotronics有限公司,美国),其强度可以保持到1357°C,用于所有光学组件的装配尺寸稳定性和高粘合强度。
3.2。失落的原型
在本研究中,pigtail-type光纤准直器是用来最小化发射光分散在表面和最大化从反光镜反射的光接收率。大多数商业pigtail-type准直仪,它采用套圈和grin镜头,不设计耐高温尺寸稳定性和粘合强度的粘结材料和聚合物夹克,用来避免损坏光纤线。维不稳定可能会导致困难控股之间的对齐的光纤和镜头在升高的温度下。因此,商业光纤准直仪被定制以承受温度高达130°C OZ光学公司。两个定制的单模光纤结合准直器(lpc - 06 - 1550 - 9/125 - 0.5 - 2.61 - cl - 40 - 3 - 1 - 5 - ht - sp, OZ光学有限公司,加拿大)连着传感器情况下使用陶瓷胶,如图3。三峡工程的一个280年μ米,140年(Cr材料)μm,140年μ米,同时也属于传感器探头的中心使用陶瓷粘结剂。反光铝镜(PF05-03-G01 Thorlabs, Inc .)、美国)也被固定在光纤传感器情况下的对面。的原型是组装和失落的尺寸(外径)×30 26毫米(高度)2和总重量95.7克。虽然是相对较大的低频加速度计的MEMS类型相比,弗原型制造相似大小PZT-based或伺服式低频加速度计。
4所示。130°C耐用光纤加速度计
4.1。动态特性的传感器探头根据温度变化
大多数材料的力学性能受温度变化的影响。杨氏模量的磷青铜,用于叶片弹簧,降低应用温度增加(18]。这表明弹簧系数- - - - - -导致结构的固有频率的变化传感器探头在升高的温度下。验证传感器性能对温度的影响,研究了传感器的固有频率的变化。传感器用于平衡态时的温度升高,可测量的频率范围被发现受到温度变化的影响。在这个平衡状态,试验得到的传感器的固有频率是根据相应的平衡温度,绘制,因此,失落的可测量的频率范围可以根据温度的变化估计,如图4。
传感器探头没有三峡工程和粘接材料冲击锤很兴奋,然后脉冲响应函数被激光位移传感器测量(LK-H050、日本基恩士有限公司、日本)。17.77赫兹在28°C的固有频率和阻尼比为0.00073的经验实现了自由振动测试。的重量传感器探头与地震质量,两个叶片弹簧,和两个夹紧工具测量是4.27克。
传感器探头的固有频率是一个重要的表现因素因为失落的可测量的频率范围取决于嵌入式传感器探头的固有频率。大多数加速器可以用低于三分之一的固有频率。在温度平衡状态,传感器探头的固有频率之间的关系和温度变异了,如图4。对于敏感性和可测量的加速度传感器的性能范围等也取决于弹簧系数。因此,实验温度对传感器的影响仅限于考虑固有频率变化的传感器。
应用于传感器将温度变化从57.2°C到196.2°C。下面的线性回归分析的温度196.2°C平方值之间的固有频率和温度是0.972而减少固有频率之比大约是。这表明传感器的固有频率线性增加传感器温度下降。减少比率可以改变最高经历温度的水平因为磷青铜的力学性能变化取决于最大温度。因此,由于小固有频率下降,预计制作的传感器探针测量加速度没有可测量的频率范围的较大变化。
固有频率的降低和温度的增加表明,弹簧系数可能会减少由于杨氏模量的降低磷青铜(弹簧材料)。此外,在nonexperienced温度退火后,在室温下的固有频率可以改变由于钢板弹簧的力学性能变化。
4.2。实验装置
为了验证的性能根据温度变化,失落捏造励磁机的使用,对温度变化稳定温度室和一个大的励磁机放在里面是必要的。然而,实际上它可能很难建立一个温度变量加速度测试系统,因为它将要求所有组件、配件、和设备,如瓶,参考加速度计,以满足一定的耐热性(尺寸稳定性)所需测试的有效性。此外,温度室可能也是必要的。因此,一个简单的和新安装验证是捏造的,如图5。一个k热电偶来控制室内的温度。精确的温度可以测量室在使用与铂电阻温度检测器(RTD) 100Ω。失落的是放置在室的环境温度可以控制由陶瓷夹克。因此,原型失落和微机电系统(MEMS)参考传感器(3711 b112g、PCB Piezotronics Inc .)、美国),它有一个高灵敏度101.9 mV / (m / s2)低频加速度,是固定在瓶。参考加速度计和失落的130°C的恒久放在瓶(PM50A MB动力有限公司哦,美国),使用正弦函数发生器的运动控制。然而,商业加速度计和瓶从传热必须受到保护,因为他们并不保证在高温下使用。因此,水冷却系统板形式安装在热室和瓶。而陶瓷应用于内腔的热量夹克,冷自来水被用作冷却剂。此外,参考加速度计是放置在水的边缘冷却板的热量不能被转移。在实验过程中,温度保持在室温下不传热参考传感器。因此,参考加速度数据获得室温下获得的数据是可靠的。
一个掺铒光纤放大器(EDFA);1530 - 1565 nm, JDS Uniphase有限公司、美国)作为光源。的板是固定在瓶很激动,失落130°C的收到灯耐用是存储在数据采集(采集)系统在1 kHz的采样率两个串联员(Oyokoden实验室。皮克特人- 1550年代,东京,日本)和照片探测器(v2011,新的焦点,Inc .)、美国)。
4.3。光纤加速度计的性能
制造原型,传感器探头的重量增加后结合三峡工程陶瓷粘结剂。退火前的最初的固有频率与标准偏差为0.03 17.27赫兹。退火后的固有频率在130°C 17.09赫兹标准差为0.06 24.6°C由于力学性能变化。16.91赫兹的自然频率在130°C实验确定。初始固有频率的1.04%减少到130°C的平衡温度升高。传感器探头的固有频率改变的体重增加0.25克由于三峡工程和三峡工程和地震之间的陶瓷粘结材料质量。底座的振动振实,反映在两个观察点周期性正弦信号波函数的相对位移相位差为90°彼此。这两个点的原始反射信号可以表示为一个直流分量。正常化后两个归一化反射信号绘制正弦函数,它的振幅为1和0的平均大小,如图6(一)。这个图描述了光纤准直器1的归一化反射的光信号(可以)和光纤准直器2 (OF2) 3.0 Hz激发。图6 (b)显示加速度测量的比较使用拟议中的失落和商业参考加速度计在3.0赫兹励磁低通滤波为3.0赫兹。失落的测量加速度数据开发和参考加速度计跟踪在130°C和24°C,分别。测量的均方根(RMS)的振动加速度值大约0.195 m / s2在3.0赫兹。在3.0赫兹励磁,加速度来衡量该同意很好失落与Ref_Acc后过滤。这表明包括失落捏造的夹克是在130°C。
(一)两个归一化反射的光信号在正交3.0 Hz激发。
(b)加速度测量使用的比较提出了安全系数(130°C)和商业参考加速度计(24°C)在3.0赫兹励磁低通滤波为3.0赫兹。
地震的相对位移测量质量是49.37μ米级(峰)。正常化的获得的电压信号处理1.11 rad是因为后天的正弦信号为0.18。平均灵敏度为5.68 rad / (m / s2)基于加速度均方根值标准因为测量加速度均方根值的大小是0.20 m / s2低通滤波后级(峰)。这表明提出的失落有更高的灵敏度55.69 rad / [G](重力加速度G),制作原型的最小可测量的加速度是0.0016 m / s2基于加速度均方根值标准,因为最小可测位移为0.41μ的传感器探头。
失落的频率响应曲线是通过实验获得的瓶很兴奋的正弦信号在指定频率覆盖一个可用的区域。频率响应曲线的形式变形响应因子()绘制激动的频率的函数,如图7。激励信号的频率选择3.0赫兹,4.0赫兹,5.0赫兹,6.0赫兹以确定可测量的频率范围。实验指出,计算位移和加速度测量的失落和MEMS加速度计,分别与理论结果进行了比较,绘制使用(3)。理论曲线绘制在24.3°C和130.4°C,分别基于假设的变化可以忽略不计阻尼比在130°C。这些理论曲线很好地同意实验分以24.3°C和130.4°C。发达几乎是失落的变形响应因子1在低于5.1赫兹的频率范围。失落这意味着设计并制作可用于低于5.1赫兹的频率范围内10%的误差,以便测量低频土木工程结构的加速度。
5。结论
耐高温光纤加速度计是使用殷钢捏造的,陶瓷胶,130°C耐用光纤准直器。一个简单的性能测试提出了设置高温时的加速度计。发达光纤加速度计测量低频加速度低于10%的误差范围内5.1赫兹的周围的高温130°C。此外,该光纤加速度计具有灵敏度高的0.18 (m / s2在130°C) / rad。制作传感器探头可用于130°C的恒久光纤加速度计在平衡温度州虽然捏造传感器在我们的论文可能不是适合稳步增加温度环境像大多数加速器由于敏感性变化。在高温环境中使用的固有频率变化率应考虑在目标温度由于固有频率降低,与发生温度的增加。如果使用一个高刚度的弹簧片,最大可测量的频率范围可以扩展在更高的温度。然而,尽管可测量的频率范围会增加更多的钢板弹簧的刚度,传感器灵敏度降低。因此,需要设计的弹簧刚度值适合目标温度范围之间的权衡考虑灵敏度和最大可测量的频率范围。此外,如果工作温度限制的商用光纤准直器克服或目标温度可忍受的光纤准直器有透镜的技巧是发达,发达光纤加速度计可以应用于高温虽然这项研究仅限于开发130°C耐用光纤加速度计。
利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
本研究主要外国支持的研究所招聘计划(批准号2011 - 0030065)在韩国国家研究基金会资助的教育、科学和技术。